碳纖維的制備工藝：

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1. 原絲制備：

- 原材料選擇：目前最常用的原材料是聚丙烯腈（PAN），約占總產(chǎn)量的 90%，另外還有煤瀝青和黏膠絲等，但性能上 PAN 基碳纖維綜合表現(xiàn)更優(yōu)。

- 聚合反應(yīng)：以 PAN 為例，丙烯腈單體進行自由基加成聚合反應(yīng)。該反應(yīng)是放熱過程，得到的 PAN 分子鏈規(guī)整度較好、結(jié)晶度較高，但纖維缺乏柔性，不利于后續(xù)工序進行。為解決此問題，通常將丙烯腈與一些共聚單體進行共聚，這樣可以有效控制預(yù)氧化過程中的放熱反應(yīng)、調(diào)節(jié)紡絲溶液的可紡性、改善凝固浴中的相分離過程，獲得結(jié)構(gòu)較為致密的 PAN 原絲。聚合溶液制備主要有一步法和兩步法。

- 一步法：丙烯腈在二甲基亞砜（DMSO）中聚合，經(jīng)脫單脫泡后直接用于 PAN 原絲制備，該方法操作相對簡單，流程短，適合我國大部分碳纖維生產(chǎn)廠家。

- 兩步法：采用 PAN 水相沉淀聚合，所得 PAN 粉體經(jīng)水洗、干燥后再溶解于 DMSO 和二甲基乙酰胺（DMAC）等溶劑中制備紡絲溶液。其優(yōu)點是可以獲得分子量較高、分子量分布比較均勻的聚合物，并且聚合速率較快、轉(zhuǎn)化率較高，但紡絲前需要重新溶解，且固體粒子的分離和干燥耗能較大，較少用于小絲束碳纖維原絲生產(chǎn)。

- 紡絲原液制備：聚合后的溶液經(jīng)過脫除未反應(yīng)的單體和體系中的微小氣泡等處理，調(diào)整聚合物到一定濃度，得到紡絲原液。需要注意防止原液的凝膠化，并且在紡絲之前要進行過濾，除去固態(tài)雜物、未溶解的聚合物、聚合物凝膠等，通常采用兩級過濾，濾芯最小孔徑為 5μm 甚至 2μm。

- 紡絲工藝：

- 濕法紡絲：將噴絲板浸入凝固浴中，紡絲液從噴絲頭擠出后以細流的形態(tài)進入到凝固浴中，原液噴出后立即凝固。該方法操作簡單，對生產(chǎn)環(huán)境和操作水平要求較低，但所制原絲性能相對較低，一般用于生產(chǎn) T300、T400 等性能較低的碳纖維。

- 干噴濕紡（干濕法）：噴絲板與凝固浴脫離一段距離，原液噴出后先經(jīng)過一段空氣段，在未凝固的條件下被牽伸均勻，再進入凝固浴進行雙擴散。這種方法可提高生產(chǎn)效率，所制纖維致密性好、體密度較高、拉伸強度更高，能生產(chǎn)高性能碳纖維，但對紡絲工藝和原液質(zhì)量要求很高。

2. 預(yù)氧化處理：將原絲在 200 - 300℃的空氣中進行預(yù)氧化，使其線性分子鏈轉(zhuǎn)化為耐熱的梯形結(jié)構(gòu)，這一步驟對于后續(xù)的碳化過程至關(guān)重要，能夠提高纖維的熱穩(wěn)定性和抗氧化性能。

3. 碳化階段：在惰性氣體（如氮氣）保護下，將預(yù)氧化后的纖維加熱至 1000 - 1500℃進行高溫碳化，去除非碳原子，形成碳含量高達 90%以上的碳纖維。

4. 石墨化處理：在更高的溫度（2000 - 3000℃）下，在惰性氣體保護的情況下，讓纖維中的結(jié)晶碳往石墨晶體轉(zhuǎn)變，提高碳纖維的結(jié)晶度和取向度，使其性能更加優(yōu)異，如彈性模量等會進一步提升。

5. 表面處理與上漿：通過氣相或液相氧化等表面處理賦予纖維化學活性，然后施加上漿劑進行上漿處理，保護纖維并進一步提高與樹脂的親和性。

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碳纖維的應(yīng)用：

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1. 航空航天領(lǐng)域：

- 飛機結(jié)構(gòu)件：碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、高強度、高比剛度等特性，可用于制造飛機的機翼、尾翼、方向舵、起落架等部件，能夠減輕飛機重量，提高燃油效率，增加航程。例如，美國最先進的大黃蜂式戰(zhàn)斗機的機架裝配零件有 1/8 是碳纖維增強復(fù)合材料。

- 航天器部件：在火箭、空間站、衛(wèi)星、導(dǎo)彈武器等航天器上，碳纖維可用于制造結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機殼體等，能夠大幅降低結(jié)構(gòu)重量，提高燃料效率和飛行器的性能。如美國 80 年代研制的洲際導(dǎo)彈三級殼體全都采用碳纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

2. 汽車領(lǐng)域：

- 車身結(jié)構(gòu)：碳纖維可以使汽車的輕量化取得突破性進展，用于制造汽車的車身結(jié)構(gòu)件，如車頂、車門、后備箱蓋等，能夠降低汽車的整體重量，提高汽車的性能和燃油經(jīng)濟性。與普通汽車相比，碳纖維汽車重量更輕、速度更快、油耗更低。

- 發(fā)動機部件：如發(fā)動機缸體、活塞、連桿等部件，使用碳纖維材料可以提高發(fā)動機的性能和可靠性，降低發(fā)動機的重量和慣性。

3. 體育休閑領(lǐng)域：

- 體育器材：碳纖維廣泛應(yīng)用于高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、冰球棍、自行車等體育器材的制造，能夠提高器材的強度、剛度和輕量化程度，提升運動員的使用體驗和競技水平。

- 樂器：部分樂器也開始采用碳纖維復(fù)合材料，如碳纖維材質(zhì)的古箏等，具有重量輕、強度高、音色獨特等優(yōu)點。

4. 醫(yī)療器械領(lǐng)域：碳纖維復(fù)合材料是制作醫(yī)療床板的優(yōu)秀材料，射線透過率高達 97%以上，成像更加清晰，重量相比傳統(tǒng)醫(yī)療床板減輕約 45%，并且化學性質(zhì)穩(wěn)定，抗腐蝕能力強，即便和酒精、藥物、血液等常見醫(yī)療物品長期接觸也不會出現(xiàn)腐蝕，清理方便。

5. 軌道交通領(lǐng)域：碳纖維復(fù)合材料可使軌道列車車體輕量化，改進高速運行性能、降低能耗、減輕環(huán)境污染、增強安全性，是新一代高速軌道列車車體選材的重點。

6. 能源領(lǐng)域：在風力發(fā)電領(lǐng)域，碳纖維可用于制造風力發(fā)電機的葉片、塔筒等部件，能夠提高風力發(fā)電機的效率和可靠性，降低維護成本。

7. 建筑領(lǐng)域：可用于加固建筑結(jié)構(gòu)，如橋梁、建筑物的梁、柱等，提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能；還可以用于制造建筑裝飾材料，如建筑幕墻等，具有美觀、耐用等特點。

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